CN104535797B - 一种单片双轴蝶翼式微机械加速度计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单片双轴蝶翼式微机械加速度计，包括敏感硅结构和玻璃基板，所述敏感硅结构设有四件作为活动电容板的敏感质量块，所述玻璃基板上设有与所述四个敏感质量块一一对应且相对设置的固定电容板，所述敏感硅结构与玻璃基板键合连接，所述敏感硅结构还包括固定框架、支撑斜梁和梯形悬臂梁，所述四件敏感质量块分别为两件平板质量块和两件凹板质量块，所述支撑斜梁两端连接于固定框架内侧并将固定框架内侧分隔为两个区域，各区域分别设一件平板质量块和一件凹板质量块，各敏感质量块通过梯形悬臂梁连接于支撑斜梁上。该单片双轴蝶翼式微机械加速度计具有较好温度稳定性、鲁棒性好、成本低廉的优点。

Description

一种单片双轴蝶翼式微机械加速度计

技术领域

本发明涉及微机械传感器领域，尤其涉及一种单片双轴蝶翼式微机械加速度计。

背景技术

加速度计主要用于测量运动物体相对惯性空间的运动参数，传统的加速计受体积、重量和成本等的限制，难以在民用领域推广应用。以MEMS（微机电系统）技术为基础的微机械加速度计具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高等突出优点，而广泛应用于汽车运动状态控制系统、摄像机稳定系统、运动机械控制等领域。

现有的加速度计主要分为压阻式、电压式、电容式、隧道式等，由于设计结构的不同，有能检测一个、两个或三个轴向加速度的加速度计。根据应用场合的不同，来选择不同功能的加速度计和不同的组合拼接方式，每一种都有自己的优点和局限。

尽管微机械加速度计已经变为重要的惯性器件并且取得了突破性的发展，但市场上高新设备的不断发展对其性能提出了更高的要求，扭转式加速度计是一种很好的结构，但其灵敏度、鲁棒性等受到自身结构的限制。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种具有较好温度稳定性、鲁棒性好、成本低廉的单片双轴蝶翼式微机械加速度计。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种单片双轴蝶翼式微机械加速度计，包括敏感硅结构和玻璃基板，所述敏感硅结构设有四件作为活动电容板的敏感质量块，所述玻璃基板上设有与所述四个敏感质量块一一对应且相对设置的固定电容板，所述敏感硅结构与玻璃基板键合连接，所述敏感硅结构还包括固定框架、支撑斜梁和梯形悬臂梁，所述四件敏感质量块分别为两件平板质量块和两件凹板质量块，所述支撑斜梁两端连接于固定框架内侧并将固定框架内侧分隔为两个区域，各区域分别设一件平板质量块和一件凹板质量块，各敏感质量块通过梯形悬臂梁连接于支撑斜梁上。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述两件平板质量块呈中心对称结构布置，所述两件凹板质量块呈中心对称结构布置，所述两件平板质量块的质量相等，所述两件凹板质量块的质量相等，所述凹板质量块的质量小于平板质量块的质量。

所述凹板质量块上的凹槽背对所述固定电容板，各敏感质量块与固定电容板相对的一侧的面积相等。

所述固定电容板包括一块垂直加速度检测电容板和两块水平加速度检测电容板，所述垂直加速度检测电容板设于远离支撑斜梁的一侧，所述两块水平加速度检测电容板设于靠近支撑斜梁的一侧，且沿支撑斜梁的纵向布置。

所述玻璃基板上设有多个引线铝电极，各固定电容板的一块垂直加速度检测电容板和两块水平加速度检测电容板均分别连接一件引线铝电极。

所述支撑斜梁的横截面呈六边形状。

所述固定框架外侧设有一对键合锚点，所述键合锚点与玻璃基板键合连接。

所述一对键合锚点沿支撑斜梁对称设置。

所述固定框架的边缘小于玻璃基板的边缘。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

本发明的单片双轴蝶翼式微机械加速度计，敏感硅结构采用四件敏感质量块，将四件敏感质量块分设在支撑斜梁两侧形成了蝶翼式的结构，配合玻璃基板上一一对应的固定电容板构成差分电容，对测得的数据进行适当解算即可解算出两个轴向的加速度；同时敏感硅结构采用蝶翼式差分结构，其设计简单，安装定位方便、误差小，温度特性好，在一定量程范围内具有很高的线性度、灵敏度，并能有效提高系统鲁棒性，成本低廉。

附图说明

图1是本发明的俯视结构示意图。

图2是本发明的立体拆分结构示意图。

图3是本发明中敏感硅结构的立体结构示意图。

图4是本发明中敏感硅结构的俯视结构示意图。

图5是图4的A-A断面放大图。

图6是本发明中玻璃基板的俯视结构示意图。

图7是本发明在受到沿斜梁方向加速度时结构发生变化的仿真示意图。

图8是本发明在受到垂直于结构表面加速度时结构发生变化的仿真示意图。

图例说明：

1、敏感硅结构；11、平板质量块；12、凹板质量块；121、凹槽；15、键合锚点；16、固定框架；17、支撑斜梁；18、梯形悬臂梁；2、玻璃基板；21、固定电容板；22、引线铝电极；211、垂直加速度检测电容板；212、水平加速度检测电容板。

具体实施方式

图1至图6示出了本发明的单片双轴蝶翼式微机械加速度计实施例，该微机械加速度计包括敏感硅结构1和玻璃基板2，敏感硅结构1设有四件作为活动电容板的敏感质量块，玻璃基板2上设有与四个敏感质量块一一对应且相对设置的固定电容板21，敏感硅结构1与玻璃基板2键合连接，敏感硅结构1还包括固定框架16、支撑斜梁17和梯形悬臂梁18，四件敏感质量块分别为两件平板质量块11和两件凹板质量块12，支撑斜梁17两端连接于固定框架16内侧并将固定框架16内侧分隔为两个区域，各区域分别设一件平板质量块11和一件凹板质量块12，各敏感质量块通过梯形悬臂梁18连接于支撑斜梁17上。本发明的单片双轴蝶翼式微机械加速度计，敏感硅结构1采用四件敏感质量块，将四件敏感质量块分设在支撑斜梁17两侧形成了蝶翼式的结构，配合玻璃基板2上一一对应的固定电容板21构成差分电容，对测得的数据进行适当解算即可解算出两个轴向的加速度；同时敏感硅结构1采用蝶翼式的结构，其设计简单，安装定位方便、误差小，温度特性好，在一定量程范围内具有很高的线性度、灵敏度，并能有效提高系统鲁棒性，成本低廉。

本实施例中，两件平板质量块11呈中心对称结构布置，两件凹板质量块12呈中心对称结构布置，两件平板质量块11的质量相等，两件凹板质量块12的质量相等，凹板质量块12的质量小于平板质量块11的质量。固定电容板21包括一块垂直加速度检测电容板211和两块水平加速度检测电容板212，垂直加速度检测电容板211设于远离支撑斜梁17的一侧，两块水平加速度检测电容板212设于靠近支撑斜梁17的一侧，且沿支撑斜梁17的纵向布置。玻璃基板2上设有多个引线铝电极22，各固定电容板21的一块垂直加速度检测电容板211和两块水平加速度检测电容板212均分别连接一件引线铝电极22。如图6所示，垂直加速度检测电容板211分别标记为a、b、c、d，水平加速度检测电容板212分别标记为e、f、g、h和i、j、k、l。

敏感质量块将输入的加速度转化为惯性力，惯性力使质量块发生位移，活动电容板的位移使电容发生变化，由于四个敏感质量块的质量不对称性，当受到沿支撑斜梁17方向的加速度时，支撑斜梁17斜梁发生弯曲，支撑斜梁17和质量块变形如图7所示，由标记为e、f、g、h的四个水平加速度检测电容板212总和与标记为i、j、k、l的四个水平加速度检测电容板212总和进行差分，得到该向加速度作用下的电容输出；当受到垂直于硅结构表面的加速度时，支撑斜梁17发生扭转，支撑斜梁17和质量块变形如图8所示，由标记为a、c的两个垂直加速度检测电容板211总和与标记为b、d的两个垂直加速度检测电容板211总和进行差分，得到该向加速度作用下的电容输出。通过外置电容检测电路即可得到电容输出值，进而解算出相应的加速度。

本实施例中，凹板质量块12上的凹槽121背对固定电容板21，各敏感质量块与固定电容板21相对的一侧的面积相等，便于制作和简化计算。支撑斜梁17的横截面呈六边形状，提高了加工精度，并使得敏感质量块对各轴的加速度更加敏感，提高了微机械加速度计的灵敏度和分辨率。

本实施例中，固定框架16外侧设有一对键合锚点15，键合锚点15与玻璃基板2键合连接。一对键合锚点15沿支撑斜梁17对称设置，可减少固定框架16和键合锚点15对敏感质量块灵敏度的影响。固定框架16的边缘小于玻璃基板2的边缘，为设置引线铝电极22留出了空间。

如图7所示，当本发明的单片双轴蝶翼式微机械加速度计在受到沿斜梁方向的加速度a时，在惯性力的作用下支撑斜梁17发生弯曲，四个敏感质量块在水平方向都发生偏转，同时，由于支撑斜梁17截面为六边形、以及四个敏感质量块的质量不对称性，当支撑斜梁17发生水平弯曲的同时也会使敏感质量块在垂直方向上也产生较明显的位移分量，从而使得对应的电容发生明显变化。

如图8所示，当本发明的单片双轴蝶翼式微机械加速度计在受到垂直于硅结构表面方向的加速度a时，在惯性力的作用下支撑斜梁17发生扭转，四个敏感质量块在垂直方向上都产生位移，从而使得对应的电容发生变化。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (9)

1.一种单片双轴蝶翼式微机械加速度计，包括敏感硅结构（1）和玻璃基板（2），所述敏感硅结构（1）设有四件作为活动电容板的敏感质量块，所述玻璃基板（2）上设有与所述四个敏感质量块一一对应且相对设置的固定电容板（21），所述敏感硅结构（1）与玻璃基板（2）键合连接，其特征在于：所述敏感硅结构（1）还包括固定框架（16）、支撑斜梁（17）和梯形悬臂梁（18），所述四件敏感质量块分别为两件平板质量块（11）和两件凹板质量块（12），所述支撑斜梁（17）两端连接于固定框架（16）内侧并将固定框架（16）内侧分隔为两个区域，各区域分别设一件平板质量块（11）和一件凹板质量块（12），各敏感质量块通过梯形悬臂梁（18）连接于支撑斜梁（17）上；所述两件平板质量块（11）呈中心对称结构布置，所述两件凹板质量块（12）呈中心对称结构布置，所述两件平板质量块（11）的质量相等，所述两件凹板质量块（12）的质量相等，所述凹板质量块（12）的质量小于平板质量块（11）的质量。

2.根据权利要求1所述的单片双轴蝶翼式微机械加速度计，其特征在于：所述凹板质量块（12）上的凹槽（121）背对所述固定电容板（21），各敏感质量块与固定电容板（21）相对的一侧的面积相等。

3.根据权利要求1或2所述的单片双轴蝶翼式微机械加速度计，其特征在于：所述固定电容板（21）包括一块垂直加速度检测电容板（211）和两块水平加速度检测电容板（212），所述垂直加速度检测电容板（211）设于远离支撑斜梁（17）的一侧，所述两块水平加速度检测电容板（212）设于靠近支撑斜梁（17）的一侧，且沿支撑斜梁（17）的纵向布置。

4.根据权利要求3所述的单片双轴蝶翼式微机械加速度计，其特征在于：所述玻璃基板（2）上设有多个引线铝电极（22），各固定电容板（21）的一块垂直加速度检测电容板（211）和两块水平加速度检测电容板（212）均分别连接一件引线铝电极（22）。

5.根据权利要求1或2所述的单片双轴蝶翼式微机械加速度计，其特征在于：所述支撑斜梁（17）的横截面呈六边形状。

6.根据权利要求4所述的单片双轴蝶翼式微机械加速度计，其特征在于：所述支撑斜梁（17）的横截面呈六边形状。

7.根据权利要求6所述的单片双轴蝶翼式微机械加速度计，其特征在于：所述固定框架（16）外侧设有一对键合锚点（15），所述键合锚点（15）与玻璃基板（2）键合连接。

8.根据权利要求7所述的单片双轴蝶翼式微机械加速度计，其特征在于：所述一对键合锚点（15）沿支撑斜梁（17）对称设置。

9.根据权利要求8所述的单片双轴蝶翼式微机械加速度计，其特征在于：所述固定框架（16）的边缘小于玻璃基板（2）的边缘。